Historien om tyngdekraft og Aristoteles

En av de mest gjennomgripende atferdene vi opplever, det er ikke rart at selv de tidligste forskerne prøvde å forstå hvorfor gjenstander faller mot bakken. Den greske filosofen Aristoteles ga et av de tidligste og mest omfattende forsøkene på en vitenskapelig forklaring av denne oppførselen ved å legge frem ideen om at objekter beveget seg mot deres "naturlige sted."

Dette naturlige stedet for elementet av Jorden var i sentrum av Jorden (som selvfølgelig var sentrum av universet i Aristoteles geosentriske modell av universet). Rundt jorden var en konsentrisk sfære som var det naturlige riket av vann, omgitt av det naturlige riket av luft, og deretter det naturlige riket av riket over det. Dermed synker Jorden i vann, vann synker i luften, og flammer stiger over luft. Alt trekker mot sin naturlige plass i Aristoteles modell, og det kommer like rimelig overens med vår intuitive forståelse og grunnleggende observasjoner om hvordan verden fungerer.

Aristoteles mente videre at gjenstander faller i en hastighet som er proporsjonal med vekten. Med andre ord, hvis du tok et treobjekt og et metallgjenstand i samme størrelse og droppet dem begge, ville den tyngre metallgjenstanden falt med proporsjonalt raskere hastighet.

Aristoteles filosofi om bevegelse mot et stoffs naturlige sted holdt på å svaie i rundt 2000 år, fram til tiden Galileo Galilei. Galileo gjennomførte eksperimenter med å rulle objekter med forskjellige vekter ned skråplan (ikke slippe dem av til tross for de populære apokryfiske historiene om denne effekten), og fant ut at de falt med samme akselerasjon rate uansett vekt.

I tillegg til empirien, konstruerte Galileo også et teoretisk tankeeksperiment for å støtte denne konklusjonen. Slik beskriver den moderne filosofen Galileos tilnærming i sin bok fra 2013 Intuisjonspumper og andre verktøy for tenking:

"Noen tankeeksperimenter kan analyseres som strenge argumenter, ofte av formen reductio ad absurdum, der man tar sine motstanders premisser og henter en formell motsetning (et absurd resultat), som viser at de ikke alle kan stemme. En av favorittene mine er beviset som tillegges Galileo at tunge ting ikke faller raskere enn lettere ting (når friksjon er ubetydelig). Hvis de gjorde det, hevdet han, siden tunge stein A ville falle raskere enn lys stein B, hvis vi bandt B til A, ville stein B fungere som et drag, og bremse A ned. Men A bundet til B er tyngre enn A alene, så de to sammen skal også falle raskere enn A av seg selv. Vi har konkludert med at det å knytte B til A ville gjøre noe som falt både raskere og tregere enn A av seg selv, noe som er en selvmotsigelse. "

Det viktigste bidraget utviklet av Sir Isaac Newton var å erkjenne at denne fallende bevegelsen observert på jorden var den samme bevegelsesatferden som månen og andre gjenstander opplever, som holder dem på plass i forhold til hverandre. (Denne innsikten fra Newton ble bygget på Galileos arbeid, men også ved å omfavne den heliosentriske modellen og Copernican prinsipp, som hadde blitt utviklet av Nicholas Copernicus før Galileos arbeid.)

Newtons utvikling av loven om universell gravitasjon, oftere kalt tyngdeloven, førte disse to konseptene sammen i form av en matematisk formel som så ut til å gjelde for å bestemme tiltrekningskraften mellom to objekter med masse. Sammen med Newtons bevegelseslover, det skapte et formelt system av tyngdekraft og bevegelse som ville lede vitenskapelig forståelse uimotsagt i over to århundrer.

Det neste store trinnet i vår forståelse av tyngdekraften kommer fra Albert Einstein, i form av hans generell relativitetsteori, som beskriver forholdet mellom materie og bevegelse gjennom den grunnleggende forklaringen at objekter med masse faktisk bøyer selve stoffet med rom og tid (samlet kalt romtid). Dette endrer gjenstandens vei på en måte som er i samsvar med vår forståelse av tyngdekraften. Derfor er den nåværende forståelsen av tyngdekraften at det er et resultat av objekter som følger den korteste stien gjennom romtid, modifisert av sneving av massive gjenstander i nærheten. I de fleste tilfeller vi støter på, er dette i full overensstemmelse med Newtons klassiske tyngdelov. Det er noen tilfeller som krever en mer raffinert forståelse av generell relativitet for å tilpasse dataene til det nødvendige nivå av presisjon.

Imidlertid er det noen tilfeller der ikke engang generell relativitet kan gi oss meningsfulle resultater. Konkret er det tilfeller der generell relativitet er uforenlig med forståelsen av kvantefysikk.

Et av de mest kjente av disse eksemplene er langs grensen til a svart hull, der det jevne stoffet i romtid er uforenlig med kornformigheten av energi som kreves av kvantefysikken. Dette ble teoretisk løst av fysikeren Stephen Hawking, i en forklaring som spådde svarte hull utstråler energi i form av Hawking stråling.

Det som imidlertid trengs er en omfattende teori om tyngdekraft som fullt ut kan innlemme kvantefysikk. En slik teori om kvantetyngdekraft ville være nødvendig for å løse disse spørsmålene. Fysikere har mange kandidater til en slik teori, hvorav den mest populære er strengteori, men ingen som gir tilstrekkelig eksperimentell bevis (eller til og med tilstrekkelige eksperimentelle forutsigelser) til å bli verifisert og i det store og hele akseptert som en korrekt beskrivelse av den fysiske virkeligheten.

I tillegg til behovet for en kvanteteori om tyngdekraften, er det to eksperimentelt drevne mysterier relatert til tyngdekraften som fortsatt må løses. Forskere har funnet ut at for vår nåværende forståelse av tyngdekraften for å gjelde universet, må det være en usett attraktiv kraft (kalt mørk materie) som hjelper med å holde galakser sammen og en usett frastøtende kraft (kalt mørk energi) som skyver fjerne galakser fra hverandre med raskere hastigheter.